材料是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)。在我國,材料供應(yīng)形勢相當嚴峻。中科院院士、中科院物理研究所極端條件物理重點實驗室主任汪衛(wèi)華曾在 《中國科學報》 接受采訪時表示:「我國很多關(guān)鍵材料并不能完全自給,因此希望通過先進的理念推動材料應(yīng)用的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化!
然而,我國傳統(tǒng)的材料研發(fā)模式主要依賴 “反復試驗” 或偶然性的直覺發(fā)現(xiàn),研發(fā)過程一般長達10 – 20年,加上化學的復雜性以及不同成分組合的可能性變得越來越大,這種試錯的方法變得越不實用,在很大程度上已經(jīng)無法滿足21世紀強國崛起對新材料的需求。除此之外,根據(jù) 《材料科學》 雜志一項關(guān)于新材料商業(yè)化的研究表明,新材料技術(shù)實現(xiàn)商業(yè)化的時間平均在10年以上,技術(shù)和市場的不確定性也遠遠高于生物技術(shù)和軟件技術(shù),這些因素也影響到了新材料的研發(fā)和技術(shù)的提升。
但隨著信息科技的逐漸成熟,人類通過理論計算或人工智能發(fā)現(xiàn)新材料成為可能,再配合高通量篩選、合成、制備等技術(shù),大大提高材料發(fā)現(xiàn)的效率,而且人工智能于理解與發(fā)現(xiàn)各種材料的合成參數(shù)與性能間的關(guān)聯(lián)帶來極大幫助。
“AI + 高通量” 化合物篩選、合成成為現(xiàn)代研發(fā)新趨勢
近年來,由于自動化的崛起,高通量篩選 (High throughput screening, HTS) 技術(shù)變得不再陌生。目前,高通量篩選已成為化工企業(yè)普遍采用的一種新材料發(fā)現(xiàn)技術(shù)。通過高通量實驗方法,可以加快材料篩選和合成,減少耗時費力的 “試錯實驗”;通過高通量材料篩選技術(shù),可以快速、準確地獲取材料研發(fā)過程中的一系列關(guān)鍵數(shù)據(jù),用于準確指導后續(xù)的工藝優(yōu)化及放大合成過程。通過高通量技術(shù)發(fā)展和完善材料數(shù)據(jù)庫 / 信息學工具,更可以有效管理與利用材料從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用全過程的數(shù)據(jù)鏈。
在建立完善的數(shù)據(jù)庫的同時,利用大規(guī)模機器學習和深度學習等技術(shù),對海量數(shù)據(jù)進行處理、分析和挖掘,實現(xiàn) “數(shù)據(jù)智能”。利用 “數(shù)據(jù)智能”,又可以返回來給材料研發(fā)提供指導,使研發(fā)過程朝更有希望成功的方向進行,并幫助研發(fā)人員解決瓶頸問題,縮短新型材料研發(fā)的周期,進而加快了整個領(lǐng)域的進程,因此高通量技術(shù)和人工智能的結(jié)合應(yīng)用無疑是對材料科學生產(chǎn)力發(fā)展的一次飛躍式提升。
力揚企業(yè)引入的 Chemspeed 自動化平臺正是將人工智能 (AI)、自動化和高通量篩選技術(shù)結(jié)合在一起,加速了新型材料篩選、合成的步驟。為了讓大家對新一代的材料開發(fā)有更進一步的認識,在這里會分享多倫多大學Alá n Aspuru-Guzik 教授如何通過將理論計算、機器學習和 Chemspeed 自動化工作流程解決方案相結(jié)合,突破了自主實驗室工作的界限。
Chemspeed 自動化高通量平臺以卓越性能加速新材料發(fā)現(xiàn)
耶拿·弗里德里希·席勒大學 (Friedrich Schiller University Jena)(簡稱耶拿大學) 的有機和大分子化學實驗室通過引進自動化技術(shù),通過高通量技術(shù)為快速研究聚合參數(shù)、以及構(gòu)建聚合物庫提供了可靠的實驗方案,并可以針對不同應(yīng)用對聚合物進行快速篩選及合成,使得實驗效率大幅提升。其中,實驗室應(yīng)用的 Chemspeed 自動化平臺是耶拿大學進行前沿聚合物和材料研究的重要推動力。
「自動化合成平臺使我們能夠在時間、速度或聚合物等科學新知識方面獲得5 - 10倍的提升。結(jié)合先進的表征技術(shù),Chemspeed 平臺闡明了聚合物結(jié)構(gòu) – 性能 – 關(guān)系的關(guān)鍵技術(shù)!关撠熢搶嶒炇业 Ulrich S. Schubert 教授說。
在整個實驗中,Chemspeed 的 FLEXSHUTTLE 發(fā)揮了關(guān)鍵作用。FLEXSHUTTLE 是一個智能化,全自動化的研發(fā)工廠,對傳統(tǒng)研發(fā)方式進行革命性的改變。它可以自由連接不同功能的工作站 (FLEX) 平臺,根據(jù)不同實驗流程任意組合。無與倫比的設(shè)計使產(chǎn)品開發(fā)效率顯著提高,同時兼顧效率和易用性的特點,幫助耶拿大學團隊研發(fā)人員突破材料研發(fā)過程中的種種瓶頸,實現(xiàn)研發(fā)效率5 – 10倍的提升。
另外,來自多倫多大學的 AI for Discovery and Self-Driving Labs 研究小組,為了推動實現(xiàn) “將發(fā)現(xiàn)新功能材料或優(yōu)化已知功能材料所需的時間和花費減少10倍的目標”,即從1000萬美元和10年的開發(fā)時間 / 花費減少到100萬美元和1年,負責人 Alán Aspuru-Guzik 教授結(jié)合了來自瑞士的 Chemspeed 自動化平臺及人工智能技術(shù),通過計算模擬和機器學習,理論計算得到合適范圍內(nèi)的候選分子,再利用高通量的設(shè)備進行樣品的制備、合成、工藝開發(fā)、配方、應(yīng)用或測試,從而提高新材料的研發(fā)效率。
以合成為例,Chemspeed ISYNTH 自動化合成平臺不但能實現(xiàn)全自動化的化合物庫合成, 專利的模塊化工具及反應(yīng)器還可以讓用戶實現(xiàn)平行合成 / 組合合成的不同工作流程,包括反應(yīng)制備、多步合成、后處理、純化、分析以及將產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到存儲容器中。
同時,加速聯(lián)盟 (The Acceleration Consortium, AC) 作為全球材料科學創(chuàng)新中心,在 Alán Aspuru-Guzik 教授的帶領(lǐng)下,也積極采用人工智能和自動化技術(shù)來加速設(shè)計及發(fā)現(xiàn)尚未存在的材料。
AC 擁有來自多倫多大學和世界各地的50多名研究人員,合作伙伴也包括Chemspeed Technologies、CIFAR、Creative Destruction Lab,加拿大國家研究院 (National Research Council of Canada)、加拿大自然資源 (Natural Resources Canada)、SLAS 和 Vector Institute等。其中Chemspeed 為 AC 提供了全套的實驗室自動化技術(shù)。據(jù)美洲運營主管 Diana Curran 表示:「加速聯(lián)盟對推進材料研究至關(guān)重要。采用自動化實現(xiàn)的高通量并行化實驗是這項工作的關(guān)鍵要素。我們的自動化解決方案是此次合作中利用的創(chuàng)新技術(shù)之一!
隨著世界競爭格局的不斷加劇,減少在合成和篩選方面的時間和投入,降低風險,以研制出高質(zhì)量、高效用及突破性的新材料,是化工企業(yè)立于不敗之地的關(guān)鍵。“AI + 高通量”的篩選、合成模式為加速新材料研發(fā)提供了有效的解決方法,未來,力揚企業(yè)也期待和更多的合作伙伴一起尋找更多的解決方案,助力新材料研發(fā)。
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